Выполнить сообщение область применения электрической энергии и магнитного поля

Обновлено: 12.06.2024

Опасное воздействие на работающих могут оказывать электромагнитные поля радиочастот (60 кГц-300 ГГц) и электрические поля промышленной частоты (50 Гц).

Источником электрических полей промышленной частоты являются токоведущие части действующих электроустановок (линии электропередач, индукторы, конденсаторы термических установок, фидерные линии, генераторы, трансформаторы, электромагниты, соленоиды, импульсные установки полупериодного или конденсаторного типа, литые и металлокерамические магниты и др.). Длительное воздействие электрического поля на организм человека может вызвать нарушение функционального состояния нервной и сердечно-сосудистой систем. Это выражается в повышенной утомляемости, снижении качества выполнения рабочих операций, болях в области сердца, изменении кровяного давления и пульса.

Основными видами средств коллективной защиты от воздействия электрического поля токов промышленной частоты являются экранирующие устройства - составная часть электрической установки, предназначенная для защиты персонала в открытых распределительных устройствах и на воздушных линиях электропередач.

Экранирующее устройство необходимо при осмотре оборудования и при оперативном переключении, наблюдении за производством работ. Конструктивно экранирующие устройства оформляются в виде козырьков, навесов или перегородок из металлических канатов, прутков, сеток.

Переносные экраны также используются при работах по обслуживанию электроустановок в виде съемных козырьков, навесов, перегородок, палаток и щитов.

Экранирующие устройства должны иметь антикоррозионное покрытие и заземлены.

Источником электромагнитных полей радиочастот являются:

в диапазоне 60 кГц - 3 МГц - неэкранированные элементы оборудования для индукционной обработки металла (закалка, отжиг, плавка, пайка, сварка и т.д.) и других материалов, а также оборудования и приборов, применяемых в радиосвязи и радиовещании;

в диапазоне 3 МГц - 300 МГц - неэкранированные элементы оборудования и приборов, применяемых в радиосвязи, радиовещании, телевидении, медицине, а также оборудования для нагрева диэлектриков (сварка пластикатов, нагрев пластмасс, склейка деревянных изделий и др.);

в диапазоне 300 МГц - 300 ГГц - неэкранированные элементы оборудования и приборов, применяемых в радиолокации, радиоастрономии, радиоспектроскопии, физиотерапии и т.п.

Длительное воздействие радиоволн на различные системы организма человека по последствиям имеют многообразные проявления.

Наиболее характерными при воздействии радиоволн всех диапазонов являются отклонения от нормального состояния центральной нервной системы и сердечно-сосудистой системы человека. Субъективными ощущениями облучаемого персонала являются жалобы на частую головную боль, сонливость или общую бессонницу, утомляемость, слабость, повышенную потливость, снижение памяти, рассеянность, головокружение, потемнение в глазах, беспричинное чувство тревоги, страха и др.

Для обеспечения безопасности работ с источниками электромагнитных волн производится систематический контроль фактических нормируемых параметров на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала. Контроль осуществляется измерением напряженности электрического и магнитного поля, а также измерением плотности потока энергии по утвержденным методикам Министерства здравоохранения.

Защита персонала от воздействия радиоволн применяется при всех видах работ, если условия работы не удовлетворяют требованиям норм. Эта защита осуществляется следующими способами и средствами:

согласованных нагрузок и поглотителей мощности, снижающих напряженность и плотность поля потока энергии электромагнитных волн;

экранированием рабочего места и источника излучения;

рациональным размещением оборудования в рабочем помещении;

подбором рациональных режимов работы оборудования и режима труда персонала;

применением средств предупредительной защиты.

Наиболее эффективно использование согласованных нагрузок и поглотителей мощности (эквивалентов антенн) при изготовлении, настройке и проверке отдельных блоков и комплексов аппаратуры.

Эффективным средством защиты от воздействия электромагнитных излучений является экранирование источников излучения и рабочего места с помощью экранов, поглощающих или отражающих электромагнитную энергию. Выбор конст-рукции экранов зависит от характера технологического процесса, мощности источника, диапазона волн.

Отражающие экраны используют в основном для защиты от паразитных излучений (утечки из цепей в линиях передачи СВЧ-волн, из катодных выводов магнетронов и других), а также в тех случаях, когда электромагнитная энергия не является помехой для работы генераторной установки или радиолокационной станции. В остальных случаях, как правило, применяются поглощающие экраны.

Для изготовления отражающих экранов используются материалы с высокой электропроводностью, например металлы (в виде сплошных стенок) или хлопчатобумажные ткани с металлической основой. Сплошные металлические экраны наиболее эффективны и уже при толщине 0,01 мм обеспечивают ослабление электромагнитного поля примерно на 50 дБ (в 100 000 раз).

Для изготовления поглощающих экранов применяются материалы с плохой электропроводностью. Поглощающие экраны изготавливаются в виде прессованных листов резины специального состава с коническими сплошными или полыми шипами, а также в виде пластин из пористой резины, наполненной карбонильным железом, с впрессованной металлической сеткой. Эти материалы приклеиваются на каркас или на поверхность излучающего оборудования.

Важное профилактическое мероприятие по защите от электромагнитного облучения - это выполнение требований для размещения оборудования и для создания помещений, в которых находятся источники электромагнитного излучения.

Защита персонала от переоблучения может быть достигнута за счет размещения генераторов ВЧ, УВЧ и СВЧ, а также радиопередатчиков в специально предназначенных помещениях.

Экраны источников излучения и рабочих мест блокируются с отключающими устройствами, что позволяет исключить работу излучающего оборудования при открытом экране.

Допустимые уровни воздействия на работников и требования к проведению контроля на рабочих местах для электрических полей промышленной частоты изложены в ГОСТ 12.1.002-84, а для электромагнитных полей радиочастот - в ГОСТ 12.1.006-84.

На предприятиях широко используют и получают в больших количествах вещества и материалы, обладающие диэлектрическими свойствами, что способствует возникновению зарядов статического электричества.

Статическое электричество образуется в результате трения (соприкосновения или разделения) двух диэлектриков друг о друга или диэлектриков о металлы. При этом на трущихся веществах могут накапливаться электрические заряды, которые легко стекают в землю, если тело является проводником электричества и оно заземлено. На диэлектриках электрические заряды удерживаются продолжительное время, в следствие чего они получили название статического электричества.

Процесс возникновения и накопления электрических зарядов в веществах называют электризацией.

Явление статической электризации наблюдается в следующих основных случаях:

в потоке и при разбрызгивании жидкостей;

в струе газа или пара;

при соприкосновении и последующем удалении двух твердых разнородных тел (контактная электризация).

Разряд статического электричества возникает тогда, когда напряженность электростатического поля над поверхностью диэлектрика или проводника, обусловленная накоплением на них зарядов, достигает критической (пробивной) величины. Для воздуха пробивное напряжение составляет 30 кБ/см.

У людей, работающих в зоне воздействия электростатического поля, встречаются разнообразные жалобы: на раздражительность, головную боль, нарушение сна, снижение аппетита и др.

Допустимые уровни напряженности электростатических полей установлены ГОСТ 12.1.045-84 "Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению Контроля" и Санитарно-гигиеническими нормами допустимой напряженности электростатического поля (№ 1757-77).

Эти нормативные правовые акты распространяются на электростатические поля, создаваемые при эксплуатации электроустановок высокого напряжения постоянного тока и электризации диэлектрических материалов, и устанавливают допустимые уровни напряженности электростатических полей на рабочих местах персонала, а также общие требования к проведению контроля и средствам защиты.

Допустимые уровни напряженности электростатических полей устанавливаются в зависимости от времени пребывания на рабочих местах. Предельно допустимый уровень напряженности электростатических полей устанавливается равным 60 кВ/м в течение 1 ч.

При напряженности электростатических полей менее 20 кВ/м время пребывания в электростатических полях не регламентируется.

В диапазоне напряженности от 20 до 60 кВ/м допустимое время пребывания персонала в электростатическом поле без средств защиты зависит от конкретного уровня напряженности на рабочем месте.

Меры защиты от статического электричества направлены на предупреждение возникновения и накопления зарядов статического электричества, создание условий рассеивания зарядов и устранение опасности их вредного воздействия.

К основным мерам защиты относят:

предотвращение накопления зарядов на электропроводящих частях оборудования, что достигается заземлением оборудования и коммуникаций, на которых могут появиться заряды (аппараты, резервуары, трубопроводы, транспортеры, сливоналивные устройства, эстакады и т.п.); уменьшение электрического сопротивления перерабатываемых веществ; снижение интенсивности зарядов статического электричества. Достигается соответствующим подбором скорости движения веществ, исключением разбрызгивания, дробления и распыления веществ, отводом электростатического заряда, подбором поверхностей трения, очисткой горючих газов и жидкостей от примесей;

отвод зарядов статического электричества, накапливающихся на людях. Позволяет исключить опасность электрических разрядов, которые могут вызвать воспламенение и взрыв взрыво- и пожароопасных смесей, а также вредное воздействие статического электричества на человека. Основными мерами защиты являются: устройство электропроводящих полов или заземленных зон, помостов и рабочих площадок, заземление ручек дверей, поручней лестниц, рукояток приборов, машин и аппаратов; обеспечение работающих токопроводящей обувью, антистатическими халатами.

Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для:

получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания;
для проведения электрохимических реакций;
получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах;
для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).

Перечислим преимущества электрической энергии перед другими видами энергии:

Без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества.
Электрическая энергия является практически единственным видом энергии для искусственного освещения.
Электрическую энергию легко преобразовать в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и др.), и наоборот, в электрическую энергию легко преобразуются любые другие виды энергии
Электрическую энергию можно передавать практически на любые расстояния. Электрическую энергию удобно дробить на любые части в электрических цепях (мощность приемников электроэнергии может быть различна)
Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии легко поддаются автоматизации, благодаря точности и чувствительности электрических методов контроля и управления.
Процессы, в которых используется электрическая энергия, допускают простое управление (нажатие кнопки, выключателя и т.д.) Использование электрической энергии позволяет повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать почти все технологические процессы.

К недостаткам электрической энергии можно отнести невозможность запасать ее в больших количествах и сохранять эти запасы длительное время.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом. Магнитная энергия – это энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но плохо отдающих ее. Электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, например в теплоту.

Применение магнитных полей в технологических целях

В технологических целях магнитные поля применяют в основном для:

воздействия на металлические и заряженные частицы,

омагничивания воды и водных растворов,

воздействия на биологические объекты.

В первом случае магнитное поле применяют в сепараторах в целях очистки различных пищевых сред от металлических ферромагнитных примесей и в устройствах для разделения заряженных частиц.

Во втором — в целях изменения физико-химических свойств воды.

В третьем — для управления процессами биологической природы.

В магнитных сепараторах с помощью магнитных систем выделяют из сыпучей массы ферромагнитные примеси (стальные, чугунные и т. п.). Различают сепараторы с постоянными магнитами и электромагнитами. Для расчета подъемной силы магнитов используют приближенную формулу, известную из общего курса электротехники.

где Fм — подъемная сила, Н, S — поперечное сечение постоянного магнита или магнитопровода электромагнита, м2, В — магнитная индукция, Т.

По требуемой величине подъемной силы определяют необходимую величину магнитной индукции, при использовании электромагнита намагничивающую силу (Iw):

где I — ток электромагнита, A, w — число витков катушки электромагнита, Rм — магнитное сопротивление, равное

здесь lк — длина отдельных участков магнитопровода с постоянным сечением и материалом, м, μк — магнитная проницаемость соответствующих участков, Гн/м, Sк — поперечное сечение соответствующих участков, м2, S — сечение магнитопровода, м2, В — индукция, Т.

Магнитное сопротивление постоянно только для немагнитных участков цепи. Для магнитных участков величина RM находится с помощью кривых намагничивания, так как здесь μ величина переменная.

Сепараторы с постоянным магнитным полем

Наиболее просты в устройстве и экономичны сепараторы с постоянными магнитами, так как они не требуют дополнительной энергии для питания обмоток. Их используют, например, на хлебозаводах для очистки муки от ферропримесей. Суммарная подъемная сила магнитол в этих сепараторах, как правило, должна быть не менее 120 Н. В магнитном поле мука должна передвигаться тонким слоем, толщиной порядка 6—8 мм, со скоростью не более 0,5 м/с.

На рис. 1 представлена схема электромагнитного сепаратора для сыпучих примесей. Сепарируемый материал подается в приемный бункер 1 и по транспортеру 2 движется к приводному барабану 3, изготовленному из немагнитного материала (латунь и т. п.). Барабан 3 вращается вокруг неподвижного электромагнита постоянного тока 4.

Магнитные поля можно использовать для разделения заряженных частиц в дисперсных системах. В основе этого разделения лежат силы Лоренца

где Fл — сила, воздействующая на заряженную частицу, Н, k коэффициент пропорциональности, q — заряд частицы, Кл, v — скорость частицы, м/с, Н — напряженность магнитного поля, А/м, а — угол между векторами поля и скорости.

Положительно и отрицательно заряженные частицы, ионы под действием сил Лоренца отклоняются в противоположные стороны, кроме этого частицы с разными скоростями также сортируются в магнитном поле в соответствии с величинами их скоростей.

Рис. 1. Схема электромагнитного сепаратора для сыпучих примесей

Устройства для омагничивания воды

Многочисленные исследования, проведенные в последние годы, показали возможность эффективного применения магнитной обработки водных систем — технической и природной вод, растворов и суспензий.

При магнитной обработке водных систем происходит:

ускорение коагуляции — слипание взвешенных в воде твердых частиц,

образование и усиление адсорбции,

образование кристаллов солей при выпаривании не на стенках сосуда, а в объеме,

ускорение растворения твердых тел,

изменение смачиваемости твердых поверхностей,

изменение концентрации растворенных газов.

Так как вода является активным участником всех биологических и подавляющего большинства технологических процессов, изменение ее свойств под действием магнитного поля с успехом используют в пищевой технологии, в медицине, химии, биохимии, а также в сельском хозяйстве.

С помощью локальной концентрации веществ в жидкости можно добиться:

опреснения и улучшения качества природной и технологических вод,

очистки жидкостей от взвешенных примесей,

управления активностью питательных физиологических и фармакологических растворов,

управления процессами селективного роста микроорганизмов (ускорение или угнетение скоростей роста и деления бактерий, дрожжей),

управления процессами бактериального выщелачивания сточных вод,

магнитной анастезиологии.

Управление свойствами коллоидных систем, процессов растворения и кристаллизации служит для:

повышения эффективности процессов сгущения и фильтрации,

уменьшения отложений солей, накипи и других инкрустаций,

улучшение роста растений, повышение их урожайности, всхожести.

Отметим особенности магнитной обработки воды. 1. Магнитная обработка требует обязательного протекания воды с некоторой скоростью сквозь одно или несколько магнитных полей.

2. Эффект омагничивания не сохраняется вечно, а исчезает через некоторое время после окончания действия магнитного поля, измеряемое часами или сутками.

3. Эффект обработки зависит от индукции магнитного поля и ее градиента, скорости потока, состава водной системы и времени ее нахождения в поле. Отмечено, что между эффектом обработки и величиной напряженности магнитного поля прямой пропорциональности нет. Важную роль играет градиент магнитного поля. Это понятно, если учесть, что сила F, действующая на вещество со стороны неоднородного магнитного поля, определяется выражением

где x – магнитная восприимчивость единицы объема вещества, Н — напряженность магнитного поля, А/м, dH/dx – градиент напряженности

Как правило, значения индукции магнитного поля лежат в пределах 0,2—1,0 Тл, а градиента — 50,00—200,00 Тл/м.

Наилучшие результаты магнитной обработки достигаются при скорости течения воды в поле, равной 1—3 м/с.

О влиянии природы и концентрации веществ, растворенных в воде, известно пока мало. Установлено, что эффект омагничивания зависит от типа и количества солевых примесей в воде.

Приведем несколько конструкций установок для магнитной обработки водных систем с постоянными магнитами и электромагнитами, питаемыми током различной частоты.

На рис. 2. приведена схема устройства для омагничивания воды с двумя постоянными магнитами цилиндрической формы 3, Вода течет в зазоре 2 магнитопровода, образованного полым ферромагнитным сердечником 4, помещенном в корпус L Индукция магнитного поля составляет 0,5 Тл, градиент — 100,00 Тл/м Ширина зазора 2 мм.

Рис. 2. Схема устройства для омагничивания воды

Рис. 3. Устройство для магнитной обработки водных систем

Большое распространение получили аппараты, оснащенные электромагнитами. Аппарат такого типа представлен на рис. 3. Он состоит из нескольких электромагнитов 3 с катушками 4, вставленных в диамагнитный чехол 1. Все это располагается в железной трубе 2. В зазоре между трубой и корпусом, защищенным диамагнитным чехлом, протекает вода. Напряженность магнитного поля в этом зазоре 45 000—160 000 А/м. В других вариантах аппаратов этого типа электромагниты надеваются на трубу снаружи.

Во всех рассмотренных аппаратах вода проходит через сравнительно узкие зазоры, поэтому предварительно ее очищают от твердых взвесей. На рис. 4 приведена схема аппарата трансформаторного типа. Он состоит из ярма 1 с электромагнитными катушками 2, между полюсами которых проложена труба 3 из диамагнитного материала. В аппарате осуществляется обработка воды или пульпы переменным или пульсирующим током разной частоты.

Здесь описаны только наиболее характерные конструкции аппаратов, которые с успехом применяются в различных сферах производства.

Магнитные поля оказывают влияние также на развитие жизнедеятельности микроорганизмов. Магнитобиология — развивающаяся область науки, находит все большее практическое применение, в том числе и в биотехнологических процессах пищевых производств. Выявлено влияние постоянных, переменных и пульсирующих магнитных полей на размножение, морфолого-культуральные свойства, метаболизм, ферментативную активность и другие стороны жизнедеятельности микроорганизмов.

Воздействие на микроорганизмы магнитных полей независимо от их физических параметров приводит к фенотипической изменчивости морфолого-культуральных и биохимических свойств. У некоторых видов в результате обработки может изменяться химический состав, антигенная структура, вирулентность, резистентность к антибиотикам, фагам, УФ-облучению. Иногда магнитные поля вызывают прямые мутации, но чаще всего они влияют на экстрахромосомные генетические структуры.

Общепризнанной теории, объясняющей механизм магнитного поля на клетку, пока не существует. Вероятно, в основе биологического действия магнитных полей на микроорганизмы лежит общий механизм опосредственнго влияния через экологический фактор.

Помогаем учителям и учащимся в обучении, создании и грамотном оформлении исследовательской работы и проекта.

Темы исследований

Оформление работы

Наш баннер

Сайт Обучонок содержит исследовательские работы и проекты учащихся, темы творческих проектов по предметам и правила их оформления, обучающие программы для детей.

Код баннера:

Исследовательские работы и проекты

Применение магнитного поля в науке, технике и медицине

В исследовательском проекте по физике на тему "Применение магнитного поля в науке, технике и медицине" учащийся дает определение понятия "магнитное поле", изучает способы его образования и узнает о практическом применении магнитного поля в науке. В работе рассматривается понятие "Сила Ампера" и роль магнитного поля в создании техники.

Подробнее о работе:

В данной исследовательской работе по физике на тему "Применение магнитного поля в науке, технике и медицине" ученик 11 класса рассматривает теоретическую базу о магнитном поле, рассказывает историю его открытия и изучения, выясняет, какие силы действуют в магнитном поле. В своем проекте учащийся систематизировал материал о применении магнитного поля в практической жизни и науке, полученный из различных источников.

Автор в своем индивидуальном исследовательском проекте по физике о возможностях магнитного поля привел основные сведения, связанные с открытием данного явления и его использованием. Школьник рассказала о таких методах использования магнитного поля в медицине, как постоянная магнитотерапия, импульсная магнитотерапия, низкочастотная магнитотерапия и магнитно-резонансная томография.

Введение
1. Историческая справка.
2. Понятие о магнитном поле.
3. Применение магнитного поля.
4. Сила Ампера.
4.1. Амперметр.
4.2. Электродвигатель.
4.3. Электромагнит.
4.4. Маглев.
4.5. Телеграф.
4.6. Пушка Гаусса.
4.7. Динамик.
4.8. Сила Лоренца.
4.9. Кинескоп
4.10. Масс-спектограф.
4.11. Циклотрон.
4.12. Синхрофазотрон.
4.13. Магнетрон.
4.14. Магнитное поле в медицине.
4.15. Постоянная магнитотерапия.
4.16. Импульсная магнитотерапия.
4.17. Низкочастотная магнитотерапия.
4.18. Магнитно-резонансная томография.
Заключение
Источники информации.

Введение

Открытие магнитного поля – одно из самых важных научных открытий в истории человечества. Без него было бы трудно представить нашу современную жизнь: не было бы изобретено множество приборов, не были бы получены важнейшие технологии.

Данная исследовательская работа (проект) посвящается изучению применения магнитного поля в различных сферах деятельности человека.

Цель: узнать о практическом применении магнитного поля в науке, технике, медицине.

Провести анализ литературы по данной теме;
Изучить возникновение и действие магнитного поля;
Выяснить, какие силы действуют в магнитном поле;
Систематизировать материал, полученный из различных источников о применении магнитного поля в практической жизни.

Историческая справка

История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть "магнетиками".

И ещё 2600 лет до н.э. китайский император Хванг Ти вёл своё войско в густом тумане с помощью магнитной фигурки, что, поворачиваясь вокруг своей оси, всегда смотрела на юг. Это, как можно догадаться, и был своего рода прототип первого компаса. Уже со второго века н.э. в Китае изготавливались постоянные магниты, надолго сохраняющие магнитные свойства. А в 13 веке о магнитах и компасе узнали в Европе.

Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле.

В 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле.

Его опыт имел большое значения для развития учения об электромагнитных явлениях.

А узнав о работе Эрстеда, французский физик Андре Мари Ампер исследовал взаимодействие параллельных проводников с током. Он установил, что при наличии в проводниках разнонаправленных токов – проводники отталкиваются друг от друга. А если токи имеют одинаковое направление, то проводники будут притягиваться.

Это были два самых известных опыта в истории изучения магнитного поля, которые подтолкнули других учёных делать всё новые и новые исследования в этой области.

Понятие о магнитном поле

Магнитное поле - это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Свойства магнитного поля:

магнитное поле создается движущимися заряженными частицами и телами, проводниками с током, постоянными магнитами;
магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы и тела, на проводники с током, на постоянные магниты, на рамку с током;
магнитное поле является вихревым, т.е. его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые.

Теперь скажу о двух силах, действующих в магнитном поле:

1. Сила Ампера

Силой Ампера называется сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

Существует и специальный закон об этой силе, называемый законом Ампера: на проводник c током силой I и длиной l, помещенный в магнитное поле с индукцией B⃗ , действует сила, модуль которой равен (произведению силы тока на вектор магнитной индукции и на синус альфа):

где α – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции B⃗ .

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

2. Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

F = q* B * V * siin a,

где q – заряд частицы, v – скорость частицы, B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Силы Ампера и Лоренца широко применяются в науке и технике. Сейчас мы это рассмотрим.

Применение магнитного поля. Сила Ампера

Амперметр

Еще одно открытие Ампера – это закон действия магнитного поля на проводник с током. Он выражается прежде всего в действии магнитного поля на виток или рамку с током. Так, на виток с током в магнитном поле действует момент силы, которая стремится развернуть этот виток таким образом, чтобы его плоскость стала перпендикулярна линиям магнитного поля.

Угол поворота витка прямо пропорционален величине тока в витке. Если внешнее магнитное поле в витке постоянно, то значение модуля магнитной индукции также величина постоянная. Площадь витка при не очень больших токах также можно считать постоянной, следовательно, справедливо то, что сила тока равна произведению момента сил, разворачивающих виток с током, на некоторую постоянную при неизменных условиях величину.

M – момент сил, разворачивающих виток с током.

Следовательно, появляется возможность измерять силу тока по величине угла поворота рамки, которая реализована в измерительном приборе – амперметре.

Электродвигатель

После открытия действия магнитного поля на проводник с током Ампер понял, что это открытие можно использовать для того, чтобы заставить проводник двигаться в магнитном поле. Так, магнетизм можно превратить в механическое движение – создать двигатель. Одним из первых, работающих на постоянном токе, был электродвигатель (рис. 3), созданный в 1834 г. русским электротехником Б.С. Якоби.

Рассмотрим упрощенную модель двигателя, которая состоит из неподвижной части с закрепленными на ней магнитами – статора. Внутри статора может свободно вращаться рамка из проводящего материала, которая называется ротором. Для того чтобы по рамке мог протекать электрический ток, она соединена с клеммами при помощи скользящих контактов (рис. 4). Если подключить двигатель к источнику постоянного тока, то при замыкании цепи рамка с током начнет вращение.

Из всех видов энергии в настоящее время наиболее широко применяется электромагнитная энергия, которую называют электрической.

Применение электрической энергии позволило повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать и внедрить целый ряд технологических процессов в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту, основанных на новых принципах, ускоряющих, облегчающих и удешевляющих процесс получения окончательного продукта, а также создать комфорт в производственных и жилых помещениях.

Это обусловлено следующим:

- В электрическую легко преобразуются любые виды энергии (тепловая, атомная, механическая, химическая, лучистая, энергия водного потока), и наоборот, электрическая энергия легко может быть преобразована в любой другой вид энергии.

- Электроэнергию можно передавать практически на любое расстояние.

- Ее можно легко дробить на любые части (мощность электроприемников может быть от долей ватта до тысяч киловатт).

- Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать.

- Управление процессами, в которых используется электроэнергия, обычно очень простое (нажатие кнопки, выключателя и т. п.).

- Использование электроэнергии способствует созданию комфортных условий на производстве и в быту.

Электроэнергию преобразуют в механическую с помощью электродвигателей, которые используют для привода станков и вращающихся машин в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и быту.

Кроме того, электрическую энергию широко используют в технологических установках для нагрева изделий, плавления металлов, сварки, электролиза, для получения плазмы, новых материалов с помощью электрохимии, для очистки материалов и газов и т. д.

Работа современных средств связи — телеграфа, телефона, радио, телевидения, Интернета — основана на применении электрической энергии. Без нее невозможно было бы развитие кибернетики, вычислительной и космической техники и т. д.

Электроэнергия является сейчас практически единственным видом энергии для искусственного освещения. Намечаются и осваиваются новые области использования электрической энергии (магнитная подушка для транспортных средств, электромагнитные насосы для перекачивания жидких металлов и т. п.).

Всем ясно, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества. Она используется абсолютно всеми бытовыми электроприборами: холодильниками, стиральными машинами, осветительными приборами, утюгами, микроволновыми печами, компьютерами, телевизорами и т. д. Трудно представить, как бы мы жили, погасни свет в квартире или замолчи телевизор.

Помимо городских квартир, большое количество электроэнергии потребляют подсобные хозяйства фермеров, на которых имеются не только жилые, но и хозяйственные постройки.

Как хозяин в доме, вы должны знать об электричестве больше, нежели просто уметь сменить пробки или вкрутить лампочку. Необходимо понимать зависимость между током, напряжением и мощностью, преимущества и недостатки переменного тока.

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакуумепри определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток имеет следующие проявления:

- нагревание проводников (в сверхпроводниках не происходит выделения теплоты);

- изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);

- создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников).

Постоянный ток

Постоянным током называется электрический ток, который не изменяется во времени по направлению. Источниками постоянного тока являются гальванические элементы, аккумуляторы и генераторы постоянного тока.

Переменный ток

Переменным называется электрический ток, величина и направление которого изменяются во времени. Область применения переменного тока намного шире, чем постоянного. Это объясняется тем, что напряжение переменного тока можно легко понижать или повышать с помощью трансформатора, практически в любых пределах. Переменный ток легче транспортировать на большие расстояния.

При подключении к источнику переменного тока с синусоидально изменяющейся э. д. с. электрических цепей с линейными сопротивлениями в них будут действовать синусоидально изменяющиеся напряжения и проходить синусоидально изменяющиеся токи. Переменные токи, э. д. с. и напряжения характеризуются четырьмя основными параметрами: периодом, частотой, амплитудой и действующим значением.

Период.

Промежуток времени Т, в течение которого э. д. с, напряжение и или ток i (рис. 169, а) совершают полный цикл изменений, называется периодом. Чем быстрее вращается виток или ротор генератора переменного тока, тем меньше период изменения э. д. с. или тока.

Частота.

Число полных периодов изменения э. д. с, напряжения или тока в 1 с называется частотой, f = 1 / T

Она измеряется в герцах (Гц), т. е. числом периодов в секунду. Чем больше частота, тем меньше период изменения тока, напряжения или э. д. с. (рис. 169,б). В Советском Союзе все электрические станции переменного тока вырабатывают ток, изменяющийся с частотой 50 Гц, т. е. 50 периодов в секунду. В автоматике и радиотехнике применяют электрические токи и более высоких частот. Такие частоты измеряются в килогерцах (1 кГц = 10 3 Гц) и мегагерцах (1 МГц = 10 6 Гц).

Рис. 169. Кривые изменения синусоидального переменного тока при различной частоте

Из рис. 169,а следует, что в течение времени одного периода Т фаза t тока (э. д. с. или напряжения) изменяется на угол 360°, или 2 радиан.

Эту величину называют угловой частотой переменного тока, она имеет размерность рад/с.

Действующее значение. Ток, напряжение и э. д. с, действующие в электрической цепи в каждый отдельный момент времени, определяются так называемыми мгновенными значениями. Эти значения принято обозначать строчными буквами i, и, е. Однако судить о переменных э. д. с, токе или напряжении по их мгновенным значениям неудобно, так как эти значения непрерывно меняются. Поэтому оценивать способность переменного тока совершать механическую работу или создавать тепло принято по действующему его значению.

Под действующим значением переменного тока понимают силу такого постоянного тока (прямая 2 на рис. 169,а), который, проходя по проводнику в течение некоторого времени (например, в течение одного периода или 1 с), выделит в нем такое же количество тепла (произведет такую же механическую работу), как и данный переменный ток (кривая 1). Действующие значения тока, напряжения и э. д. с. обозначают соответственно I, U, Е.

При синусоидальном переменном токе

I = I_т / 2 = 0,707 I_т

Если известно действующее значение тока I, то его амплитудное значение

I_т = 2 I = 1,41 I

Аналогично для синусоидальных напряжений и э. д. с.

U / U_т = Е₁ / Е_т = 1 / 2 = 0,707

На практике для характеристики параметров переменного тока используют, главным образом, действующие значения тока, напряжения и э. д. с. Например, когда говорят, что напряжение в осветительной сети переменного тока составляет 220 В или что по цепи проходит ток 100 А, то это значит, что в данной сети действующее значение напряжения равно 220 В или что действующее значение тока, проходящего по данной цепи, равно 100 А.

Электрическая энергия и механическая работа, создаваемые переменным током в различных электрических устройствах, пропорциональны действующим значениям тока и напряжения. Большая часть существующих приборов для измерения переменного тока измеряет действующие значения тока, напряжения и э. д. с.

Электрическая цепь — совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.

Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой.

Читайте также: